高中物理第1节 牛顿第一运动定律学案

这是一份高中物理第1节 牛顿第一运动定律学案，共13页。


要点一 力与运动的关系
法国哲学家和科学家笛卡儿把伽利略的结论❶推广到没有重力、摩擦力、空气阻力等更理想的情况,进一步完善了伽利略的观点。他提出:若没有其他原因❷,运动物体将继续以原来的速度沿直线运动。
要点二 理解牛顿第一定律
牛顿在伽利略、笛卡儿等人研究成果的基础上提出了著名的牛顿第一运动定律❸,简称牛顿第一定律:一切物体总保持❹匀速直线运动或静止状态,除非有外力迫使它改变❺这种状态。
要点三 惯性
任何物体都有保持静止或匀速直线运动状态不变的属性,物理学中将这种属性称为惯性❻。惯性大小表示了物体运动状态改变的难易程度❼,它只与物体的质量有关。
❶伽利略的结论指的是什么?
提示 物体的运动不需要力来维持。
❷其他原因指的是什么?
提示 指的是没有外力作用。
❸牛顿第一运动定律是一个经过大量实验事实总结得到的一个实验定律吗?
提示 不是,是根据前人的研究成果,在真实的科学性实验的基础上推理得出来的结论。
❹总保持是不是指一直保持,即保持原有运动状态是物体自身的一种性质?
提示 是。
❺这里的改变包括哪些方面?
提示 有三种情况:
(1)速度的方向不变,大小改变。
(2)速度的大小不变,方向改变。
(3)速度的大小和方向同时发生改变。
❻(1)惯性是物体自身的属性,但外力是可以改变其大小的,对吗?
(2)惯性是保持静止或匀速直线运动状态的性质,速度越大,惯性越大,对吗?
提示 (1)不对。(2)不对。
❼难易程度指的是什么?
提示 发生相同的速度变化时所加的外力或作用时间不同。
牛顿第一定律的意义
(1)揭示了运动和力的关系
①物体不受外力时的运动状态:匀速直线运动或静止状态。
②力不是维持物体运动的原因,而是改变物体运动状态的原因。
(2)揭示了一切物体都具有的一种固有属性——惯性,即物体保持原来匀速直线运动或静止状态的性质,因此牛顿第一定律也被叫作惯性定律。
探究点一 伽利略的理想实验
在研究力与运动的关系时,伽利略提出了著名的“理想实验”。
(1)如图所示,小球从斜面A上滑下,滚上斜面B,改变斜面B表面,使其越来越光滑(例如由毛巾依次换成棉布、木板、玻璃),你观察到小球到达的最大高度如何变化?
(2)如果斜面绝对光滑,小球能达到多高?
(3)若减小第二个斜面的倾角,斜面C、D绝对光滑,小球能到达多高?与斜面B相比运动的距离如何?
(4)若将绝对光滑的斜面放置水平,小球如何运动?
(5)为什么把这个实验称为理想实验,其推理过程是什么?可得出什么结论?
提示 (1)越来越高。
(2)小球将达到原来的高度。
(3)小球将到达原来的高度,运动的距离会更长。
(4)小球将永远运动下去。
(5)这个实验中绝对光滑的斜面和无限长的光滑水平面是不存在的,这个实验是永远无法实现的,但整个推理是合理的,其现象完全能够得到人们的认同,所以为理想实验。其逻辑推理过程是建立在可靠的事实基础之上的,以事实为依据,以抽象为指导,抓住主要因素,忽略次要因素,从而深刻地揭示了自然规律。可以得出物体的运动不需要力来维持,即力不是维持物体运动的原因。
对“理想实验”的认识
1.“理想实验”揭示了力不是维持物体运动的原因,物体的运动不需要力来维持。
2.“理想实验”是一种思维活动,是人们在抽象思维中设想出来的,实际中无法做到。
3.“理想实验”是一种以可靠的事实为依据,忽略次要因素,并把实验情况合理外推到理想状态,从而揭示自然现象本质的假想实验。所以说伽利略的理想实验方法是科学的,结论是可靠的。
例 (2021陕西西安长安一中高一月考)伽利略对“自由落体运动”和“运动和力的关系”的研究,开创了科学实验和逻辑推理相结合的重要科学研究方法。图1、图2分别表示这两项研究中实验和逻辑推理的过程,对这两项研究,下列说法正确的是( )
A.图1通过对自由落体运动的研究,合理外推得出小球在斜面上做匀变速运动
B.图1中先在倾角较小的斜面上进行实验,可减小重力,使位移的测量更容易
C.图2中完全没有摩擦力的斜面是实际存在的,实验可实际完成
D.图2的实验为“理想实验”,通过逻辑推理得出物体的运动不需要力来维持
答案 D 题图1通过对小球在斜面上的运动研究,合理外推得出自由落体运动是一种匀变速直线运动,A错误;题图1中先在倾角较小的斜面上进行实验,来“冲淡”重力的作用效果,使时间的测量更容易,B错误;实际中没有摩擦力的斜面并不存在,故该实验无法在实际中完成,C错误;题图2的实验为“理想实验”,伽利略通过抽象思维、数学推导和科学实验相结合的方法得到物体的运动不需要力来维持这一结论,D正确。
解题感悟
“理想实验”在自然科学的理论研究中有着重要的作用,但“理想实验”的方法有一定的局限性,“理想实验”是一种逻辑推理的思维过程,它的作用只限于逻辑上的证明与反驳,而不能用做检验认识正确与否的标准。由“理想实验”所得出的任何推论,都必须由观察或实验的结果来检验。
如图所示,伽利略用两个对接的斜面,一个斜面A固定,让小球从固定斜面上由静止滚下,又滚上另一个倾角可以改变的斜面B,如果没有摩擦,小球将上升到原来的高度,减小斜面倾角重复实验,直到斜面倾角为零。伽利略设计这个实验的目的是说明( )
A.日常生活中,不存在摩擦时物体的运动情形
B.物体做匀速直线运动必须需要力的作用
C.如果物体不受到力,就不会运动
D.力不是维持物体运动状态的原因
答案 D 伽利略通过“理想斜面实验”证明了:运动不需力来维持,物体不受外力作用时,总保持原来的匀速直线运动或静止状态,推翻了由亚里士多德提出的错误观点。
探究点二 牛顿第一运动定律
力与运动关系无处不在,思考以下问题,分析力和运动存在怎样的关系。
1.亚里士多德对力与运动关系的观点是什么?
提示 有外力作用时物体才能运动,物体运动需要力来维持。
2.观察图片,思考用脚踢足球可以使足球运动,球离开脚后,脚不在给球作用力,球仍然向前运动;在冰面上对冰车施加推力,冰车就会运动起来,没有推力仍然可以向前运动,和亚里士多德的观点一致吗,为什么?
提示 不一致,脚不在给球作用力以及冰车不受推力时,仍然向前运动,说明运动不需要力来维持。
牛顿第一定律的理解
例 (多选)关于牛顿第一定律,下列说法正确的是( )
A.牛顿第一定律是在伽利略“理想实验”的基础上总结出来的
B.不受力作用的物体是不存在的,故牛顿第一定律的建立毫无意义
C.牛顿第一定律表明,物体只有在静止和做匀速直线运动时才具有惯性
D.由牛顿第一定律可知,力是改变运动状态的原因
答案 AD 牛顿第一定律是在伽利略“理想实验”的基础上总结出来的,A项正确;实际物体都要受到外力的作用,但只要物体所受的外力的合力为零,物体就保持静止状态或匀速直线运动状态,B项错误;惯性是物体的固有属性,一切物体在任何情况下都具有惯性,C项错误;牛顿第一定律说明力是改变物体运动状态的原因,D项正确。
解题感悟
惯性参考系和非惯性系
如果在一个参考系中,一个不受力的物体会保持匀速直线运动状态或静止状态,这样的参考系叫作惯性参考系,简称惯性系。如地面或相对地面静止或做匀速直线运动的物体就是惯性系,而相对地面做变速运动的物体是非惯性系。
牛顿第一定律只适用于惯性参考系,在非惯性系中不适用。
(多选)关于牛顿第一定律有下列说法正确的是( )
A.牛顿第一定律可用实验来验证
B.牛顿第一定律说明力是改变物体运动状态的原因
C.惯性定律与惯性的实质是相同的
D.牛顿第一定律说明物体的运动不需要力来维持
答案 BD 不受力的物体是不存在的,牛顿第一定律不是实验定律,故不能用实验来验证,A错误;牛顿第一定律说明力是改变物体运动状态的原因,B正确;牛顿第一定律又叫惯性定律,牛顿第一定律是物体遵循的规律,而惯性是物体的性质,实质是不相同的,C错误;牛顿第一定律说明物体的运动不需要力来维持,D正确。
探究点三 惯性
对惯性的理解
1.物体在不受外力(或合外力为零时)的条件下,惯性表现为物体原来的运动状态。
2.物体在受力条件下,惯性表现为物体运动状态改变的难易程度。
3.惯性与质量:惯性是物体的固有属性,质量是物体的一种基本属性,指物体所含物质的多少,质量越大的物体惯性越大。
4.惯性与力:①惯性不是力,而是物体本身固有的一种性质,因此“物体受到了惯性的作用”、“产生了惯性”、“受到惯性力”等说法都是错误的;②力是改变运动状态的原因,惯性是维持运动状态的原因;③惯性与物体的受力情况无关。
5.惯性与速度:①速度是表示物体运动快慢的物理量,惯性是物体本身固有的一种性质;②一切物体都有惯性,和物体是否有速度及速度的大小均无关。
1.(多选)如图所示,小车上竖直放置一个木块,让木块随小车沿着桌面向右运动,当小车被挡板制动时,车上的木块向右倾倒。下列分析正确的是( )
A.木块上部有惯性,下部没有惯性
B.木块倾倒是因为木块有惯性
C.小车碰到挡板时,木块上部受到了惯性力的作用而向前运动
D.木块底部受到摩擦力,很快停止运动,上部没有受摩擦力,由于惯性要继续运动
答案 BD 惯性是物体的固有属性,惯性的大小与物体的运动状态无关,木块的上部与下部都有惯性,A错误;当小车制动后,木块底部受到摩擦力,很快停止运动,上部没有摩擦力,由于惯性要继续运动,最后木块倾倒,B、D正确;小车碰到挡板时,木块上部由于惯性继续运动才倾倒,不能说受到了惯性力的作用而向前运动,C错误。
2.小明坐动车时,发现静止在桌面上的小球在动车启动时突然向后运动,如图所示,关于此现象的相关说法正确的是( )
A.小明观看小球的运动时是以窗外的树作为参考系的
B.研究该动车出站的时间时可以将其看作质点
C.小球的运动说明力不是维持物体运动的原因
D.若将小球带到月球上其惯性将减小
答案 C 小明观看小球的运动时是以桌面作为参考系的,A错误;因该车的长度对出站的时间有影响,所以研究该动车出站的时间时不可以将其看作质点,B错误;小球在运动方向并没有受力,但是小球仍然在运动,说明力不是维持物体运动的原因,C正确;惯性的大小只与物体的质量有关,一个物体从地球移到月球质量不变,惯性不变,D错误。
3.(★)如图所示,小球放置于光滑的楔形物体的水平上表面。开始时小球和物体都静止,现将楔形物体由静止释放,则小球在碰到斜面前的运动轨迹是( )
A.沿斜面方向的直线
B.竖直向下的直线
C.无规则的曲线
D.与斜面平行的斜向下直线
答案 B 楔形物体释放前,小球受到重力和支持力,两力平衡;楔形物体释放后,由于楔形物体是光滑的,则小球水平方向不受力,根据牛顿第一定律知,小球在水平方向的状态不改变,即仍保持静止状态,水平方向不发生位移,而竖直方向楔形物体的支持力将小于小球的重力,小球将沿竖直方向做加速运动,所以其运动轨迹为竖直向下的直线。
1.在物理学史上,正确认识运动与力的关系并且推翻“力是维持运动的原因”的物理学家和建立惯性定律的物理学家分别是( )
A.亚里士多德、伽利略
B.亚里士多德、牛顿
C.伽利略、牛顿
D.伽利略、爱因斯坦
答案 C 在物理学史上,正确认识运动与力的关系并且推翻“力是维持物体运动的原因”的物理学家和建立惯性定律的物理学家分别是伽利略和牛顿,故C正确。
2.下列关于牛顿第一定律的说法中正确的是( )
A.牛顿第一定律是实验定律
B.牛顿第一定律是科学家凭空想象出来的,没有实验依据
C.牛顿第一定律提出了当物体受到的合外力为零时,物体将处于静止状态
D.牛顿第一定律既提出了物体不受外力作用时的运动规律,又提出了力是改变物体运动状态的原因
答案 D 牛顿第一定律不是实验定律,A错误;牛顿第一定律是建立在日常经验、科学猜想、实验和推理相结合的基础上的,B错误;牛顿第一定律提出了当物体合外力为零时,物体将处于静止状态或匀速直线运动状态,C错误;牛顿第一定律既提出了物体不受外力作用时的运动规律,又提出了力是改变物体运动状态的原因,D正确。
3.(★)古诗词是我国五千年灿烂文化的精髓,先人在创作时巧妙地借用了许多物理知识,使其作品大放异彩。下列涉及惯性的诗句是( )
A.坐地日行八万里,巡天遥看一千河
B.船到江心抛锚迟,悬崖勒马早已晚
C.人间四月芳菲尽,山寺桃花始盛开
D.飞流直下三千尺,疑是银河落九天
答案 B “坐地日行八万里,巡天遥看一千河”是说地球自转一圈的路程为八万里,而人与地面保持相对静止,速度相同,不涉及惯性,A错误;“船到江心抛锚迟,悬崖勒马早已晚”是说物体有保持原来运动状态不变的性质,这就是惯性,B正确;“人间四月芳菲尽,山寺桃花始盛开”说明环境与温度对生物的影响,不涉及惯性,C错误;“飞流直下三千尺,疑是银河落九天”是描写瀑布的自然景象,不涉及惯性,D错误。
惯性与“牛顿第一运动定律”的区别
“惯性”与“惯性定律”不是同一概念,不能混为一谈。它们的区别:惯性是一切物体固有的属性,是不依外界(作用力)条件而改变的,它始终伴随物体而存在。牛顿第一定律则是研究物体在不受外力作用时如何运动的问题,是一条运动定律,它指出了“物体保持匀速直线运动状态或静止状态”的原因。而惯性是“物体具有保持原来的匀速直线运动状态或静止状态”的特性;两者完全不同。为何牛顿第一定律又叫惯性定律,是因为定律中所描述的现象是物体的惯性的一方面的表现,当物体受到外力作用(合外力不为零)时,物体不可能保持匀速直线运动状态或静止状态,但物体保持原有运动状态不变的性质(惯性)仍能表现出来。
如图所示,冰壶在冰面运动时可以在较长时间内保持运动速度的大小和方向不变,这种抵抗运动状态变化的“本领”,我们称为“惯性”,则冰壶惯性的大小取决于( )
A.冰壶脱离手前受到的推力大小
B.冰壶的初速度
C.冰壶的质量
D.冰壶脱离手后受到的阻力大小
答案 C 质量是惯性大小的量度,则冰壶惯性的大小取决于冰壶的质量,与冰壶的运动状态以及受力情况无关。故选C。课标解读
课标要求
素养要求
1.了解亚里士多德的观点,知道伽利略理想斜面实验及观点,知道理想实验是科学研究的重要方法。
2.理解牛顿第一定律的内容和意义。
3.知道什么是惯性,会正确解释有关惯性的现象。
1.物理观念:知道力与运动之间的关系,用运动与相互作用的观念认识和分析动力学问题。
2.科学思维:能领悟理想实验的科学推理方法及其意义。
3.科学探究:理解理想斜面实验的探究方法。
4.科学态度与责任:通过与伽利略、牛顿相关的史实,能认识科学本质,知道物理学研究是不断完善的。